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Physique de la matière molle

De
256 pages
Cet ouvrage propose une synthèse pédagogique de la physico-chimie de la matière molle. Ce domaine, à l’interface entre la physique et la chimie, que l’on appelle aussi fluides complexes ou systèmes auto-organisés, concerne aussi bien les matériaux à base de cristaux liquides, de polymères ou de tensio-actifs qui s’organisent via des interactions faibles, que la biologie.
Les principes fondateurs de cette discipline sont exposés de manière synthétique, en s’appuyant sur des arguments simples inspirés de la méthode d’enseignement de Pierre-Gilles de Gennes, prix Nobel de physique en 1991. L’extension de ces concepts aux systèmes biologiques sert également d'introduction à la biophysique moderne.
Chaque notion est illustrée d’un exemple tiré d’expériences ou d'applications industrielles, ainsi que de l'étude des processus biologiques.
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Physiquedelamatièremolle
Françoise BrochardWyart Pierre Nassoy PierreHenri Puech
Physiquedelamatièremolle
Illustration de couverture : © psdesign1 – Fotolia.com Crédits des illustrations (agence Fotolia.com) : page 7A Morgenstjerne, page 7B Images By Jefunne, page 7C philippe Devanne, page 37 science photo, page 45 Javierafael, page 55A atdigit, page 55B janmiko, page 55C vladimirLoyd, page 62 fabelacorrea, page 63B Alekss, page 63C wuestenigel, page 74B Bastian, page 86A julenochek, page 86B Vera KuTelvaserova, page 86C chalabala, page 86D krasyuk, page 99A miyabikyu, page 137A (haut) emodeath, page 137A (bas) Oleg Andren-ko, page 142B (haut) rost 9, page 142C (haut) Christoph Burgstedt, page 144E裕司 nasa_gallery, page 151 Brad Pict, page 172B reisegraf.ch, page 200 lehmannw, 安斉 , Canoneer, M.Dörr & M.Frommherz.
© Dunod, 2018 11, rue Paul Bert, 92240 MalakoFwww.dunod.com ISBN 978-2-10-076027-5
Table des matières
Introduction
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Matière molle LEÇON 1. Systèmes complexes mésoscopiques 1.1 Mésoéchelle 1.2 Désordre 1.3 Topologie et géométrie LEÇON 2. Objets fragiles2.1 Interactions faibles 2.2 Grandes réponses 2.3 Matière molle et biologie LEÇON 3. Forces de van der Waals3.1 Classification et portée de l’interaction de Van der Waals 3.2 Interactions de Van der Waals entre deux milieux LEÇON 4. Interactions électrostatiques4.1 Origine de la charge de surface 4.2 Double couche électrostatique 4.3 Répulsion entre deux plaques chargées 4.4 Théorie DLVO : stabilité des suspensions colloïdales et des films de savon LEÇON 5. Micromanipulations et microfluidique5.1 Micromanipulations 5.2 Microfluidique – MEMS et laboratoires sur puce
Interfaces LEÇON 6. Systèmes colloïdaux : classification et fabrication6.1 Caractéristiques générales de l’état colloïdal 6.2 Classification des colloïdes 6.3 Préparation des systèmes divisés LEÇON 7. Capillarité et tension superficielle7.1 Tension superficielle 7.2 Formule de Laplace (1805) 7.3 Adhésion capillaire
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Table des matières
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LEÇON 8. Capillarité et pesanteur 56 8.1 Longueur capillaire 56 8.2 Montée capillaire – Loi de Jurin 57 8.3 Ménisques 58 8.4 Forme des gouttes 59 LEÇON 9. Mouillage63 9.1 Paramètre d’étalement S 63 9.2 Mouillage partiel : S0 64 9.3 Mouillage total : S>0 65 9.4 Du mouillage à l’adhérence 66 LEÇON 10. Physicochimie du mouillage70 10.1 Deux catégories de solides 70 10.2 Critère de mouillage – Calcul du paramètre d’étalement 71 10.3 Traitement de surface 71 10.4 Caractérisation des surfaces – Tension critique de Zismang72 c 10.5 Critère de mouillage : influence de la constante de Hamaker 73 LEÇON 11. Dynamique du mouillage77 11.1 Vitesse capillaire 78 11.2 Dynamique : mouillage partiel 79 11.3 Dynamique : mouillage total 82 LEÇON 12. Démouillage : retrait des films86 12.1 Définition du démouillage 86 12.2 Démouillage des films supportés : stabilité des films 87 12.3 Dynamique du démouillage 89 LEÇON 13. Les tissus biologiques : des agrégats multicellulaires94 13.1 Les agrégats cellulaires : des liquides 94 13.2 Mouillage des agrégats cellulaires 97 13.3 Les agrégats cellulaires : des mousses 98 13.4 Les agrégats cellulaires : des matériaux aux propriétés inédites 98
Cristaux liquides LEÇON 14. Cristaux liquides 14.1 Phases mésomorphes 14.2 Nématiques 14.3 Cholestériques 14.4 Smectiques 14.5 Cristaux liquides (CL) thermotropes et lyotropes
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Table des matières
LEÇON 15. Nématiques 15.1 Élasticité des nématiques 15.2 Préparation d’échantillon monodomaine 15.3 Alignement dans un champ magnétique : transition de Fredericks 15.4 Alignement dans un champ électrique : affichage 15.5 Textures des nématiques
SurfactantsLEÇON 16. Molécules amphiphiles 16.1 Classification des tensio-actifs 16.2 Rôles aux interfaces 16.3 Agrégation dans l’eau 16.4 Émulsions eau/huile et HLB LEÇON 17. Films monomoléculaires de tensio-actifs 17.1 Films insolubles 17.2 Films solubles LEÇON 18. Films de saVon - Bulles et vésicules 18.1 Films de savon – Bulles – Mousse 18.2 Bicouches lipidiques : vésicules, cellules vivantes
5 Polymères LEÇON 19. Molécules géantes 19.1 Polymères : longues chaînes de monomères 19.2 Procédés de synthèse 19.3 Problèmes principaux 19.4 États de la matière 19.5 Classification des polymères LEÇON 20. Chaîne flexible idéale 20.1 Distance bout à bout 20.2 Pelote gaussienne : réservoir d’entropie 20.3 Ressort entropique 20.4 Déviations 20.5 Détermination pratique de R, N LEÇON 21. Chaîne gonflée 21.1 Volume exclu 21.2 Calcul de Flory (1949) 21.3 Généralisation en dimensiond 21.4 Théorèmen=0 (de Gennes, 1972) © Dunod – Tou2te1.re5proÉdlucatisotnicniotnéautdoriuneeestcuhnadîénlite.gonflée(P. Pincus)
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Table des matières
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LEÇON 22. Solution de polymères 22.1 Polymères en solution : les trois régimes 22.2 Modèle de Flory-Huggins 22.3 Lois d’échelle et modèle de « blobs » (P.-G. de Gennes) LEÇON 23. Brosses de polymères 23.1 Une découverte ancienne (4 000 ans avant J.-C.) : l’encre de Chine 23.2 Mécanisme de stabilisation 23.3 Configuration de la brosse de polymère 23.4 Répulsion stérique 23.5 Applications LEÇON 24. La reptation 24.1 Viscoélasticité 24.2 Modèle de reptation 24.3 Vérification expérimentale 24.4 Observation de la reptation avec des polymères géants
Quelques réalisations prodigieuses LEÇON 25. La magie de la peinture 25.1 Généralités sur les latex 25.2 Viscosité des latex 25.3 Formation d’un film de peinture 25.4 Couchage du papier LEÇON 26. Des tissus iridescents 26.1 Qu’est-ce qu’un cristal photonique ? 26.2 Structures photoniques dans la nature 26.3 Textiles iridescents
Bibliographie
Index
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Introductîon
Naîssance de la matîère molle
P.-G. deGENNES(1932-2007) est considéré comme l’inventeur de cette science bapti-sée matière molle. Après un début spectaculaire en physique des solides (magnétisme, supraconductivité), sa carrière en physique théorique de la Matière Condensée va s’ou-vrir à un spectre très large de sujets, cristaux liquides, polymères, colloïdes, mouillage et adhésion, biophysique et neuroscience qui constituent la matière molle. Bien que la liste de ses travaux soit très impressionnante, l’importance de son œuvre repose surtout sur son style de recherche en contact permanent avec l’expérience et le monde industriel et basé sur l’idée que tous les phénomènes physiques peuvent être expliqués en termes simples. Ses travaux ont été couronnés par le Prix Nobel de Physique en 1991. Commençons ce livre d’introduction à la physique de la matière molle par quelques extraits de la conférence Nobel de PierreGilles de Gennesprononcée à Stockholm en décembre 1991 à l’occasion de la remise de son prix Nobel de Physique.
Qu’entend-on par matîère molle ?
Les Américains préfèrent parler de « fluides complexes » et cette dénomination traduit effectivement deux des principales caractéristiques : Complexité: on peut dire, en schématisant, que la biologie moderne est partie d’études de systèmes modèles simples (bactéries) pour aller vers des organismes multicellulaires complexes, tels que végétaux, invertébrés, vertébrés, etc. De la même manière, la matière molle s’est développée à partir de l’explosion de la physique atomique dans la première © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit.
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Introduction •Naîssance de la matîère molle
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e moitié duXXsiècle, et elle englobe les polymères, les tensio-actifs, les cristaux liquides ainsi que les dispersions colloïdales. Flexibilité: j’aime bien illustrer cette notion en partant de la première expérience sur les polymères que nous devons aux Indiens d’Amazonie : ils recueillaient la sève de l’hévéa, l’étalaient sur leurs pieds et la laissaient sécher un petit moment. Et c’est ainsi qu’ils s’étaient fait une botte. Si l’on se place à l’échelle microscopique, on a au départ un système de longues chaînes de polymères flexibles et indépendantes. L’oxygène de l’air crée quelques ponts entre les chaînes, induisant un changement d’état spectaculaire, où l’on passe d’un liquide à un réseau réticulé qui résiste à la contrainte, un caoutchouc. Ce qu’il faut noter, c’est qu’une opération chimique infime a entraîné un changement radical dans les propriétés mécaniques, et c’est bien là un trait caractéristique de la matière molle.
Style de recherche en matîère molle
Expérîences de coîn de table Je voudrais maintenant revenir quelques minutes sur le style de la recherche en matière molle. Prenons l’exemple des tensio-actifs ; ce sont des molécules constituées de deux parties : une tête polaire qui aime d’eau et une queue aliphatique qui la déteste. Les tensio-actifs permettent ainsi de protéger les surfaces d’eau et d’engendrer ces jolies bulles de savon. Benjamin Franklin a réalisé avec eux une belle expérience. Sur un étang dans un parc de Londres, il a versé une cuillère à café d’acide oléique, un tensio-actif naturel qui a tendance à former des films compacts à l’interface eau-air. Connaissant le volume pour recouvrir tout l’étang dont il connaissait la surface, il a pu en déduire l’épaisseur du film, de l’ordre de trois nanomètres. C’est à ma connaissance la première mesure de la taille des molécules. Et j’aime beaucoup décrire des expériences dans le style Benjamin Franklin à une époque où nous sommes envahis de gros appareils tels que réacteurs nucléaires ou sources synchrotrons. Je vous en donnerai deux exemples. Le premier concerne le mouillage des fibres. D’ordinaire, sur une fibre qui a été plongée dans un liquide, on voit apparaître un chapelet de gouttelette, de sorte qu’on a longtemps pensé que les fibres n’étaient pas mouillables. F. Brochard a fait une analyse théorique de l’équilibre des liquides sur des surfaces courbées et elle a suggéré qu’il pouvait exister un film de mouillage entre les gouttelettes. J.-M. di Meglio et D. Quéré en ont prouvé son existence et mesuré son épaisseur de façon élégante (di Meglio 1986). En posant sur une fibre deux gouttes de taille différente, ils montrent que la petite se déverse lentement dans la grosse, selon les lois de la capillarité. Une mesure de la dynamique du processus permet de déterminer l’épaisseur du film déposé sur la fibre, qui relie les deux gouttes. Une autre expérience élégante en mouillage concerne les modes collectifs de la ligne de contact, qui borde une goutte déposée sur un solide. Si on la perturbe, elle revient à sa position